基于数字图像特征的sla原型快速铸造模具设计

基于数字图像特征的sla原型快速铸造模具设计

传统的原型设计首先由建模设计师根据产品的需求和想法绘制，或者设计师根据实物原型的想法形成石膏模型反演原型。结构设计师应继续进行原型设计，然后结构工程师确定原型的结构。然后，根据消费市场的需要制作不同比例的原型。最后，通过机械设备的方法制造模型，以生产大量产品。然而，当产品没有图纸和产品原型时，只有当考虑到以数字图像信息为产品建模的产品时，甚至开发出相应的模型时，产品的原创设计和制造过程必须得到简化。本文介绍了基于数字图像特征的创新产品和模型制造方法。采用pro-建模软件制作了以二维特征为特征的三维图形模型。该模型是由斯拉转换模型的石膏原型。结合石膏专用于制造工艺的特殊石膏建模方法，实现了设计产品的快速建模。1基于数码图片特征的三维cad设计在互联网、图片库、甚至自己拍摄的数码照片中,往往有一些信息会激发产品设计者或者制造者的灵感,将其中的部分特征运用到产品中.但是数码图片是二维平面的,而产品模型往往是三维的,如果将二维平面特征用到三维的产品建模中,需要将所需的特征提取出来,然后根据设计需求进行修改并最终体现在三维CAD设计中.本文采用Pro/Engineer软件进行图片关键特征的提取及其三维模型生成.基于数码图片特征的产品建模过程如图1所示.首先根据Pro/E提供的跟踪草绘功能获取一些重要的点,其带有图形的特征信息,再通过这些点做曲线,然后通过曲线来构建曲面,最后生成实体.其设计思路为点-线-面-实体.现在以一个实例介绍产品建模的过程.图2是从互联网上得到的一张图片.图3为从图2中提取龙的特征进行创新产品的建模过程.图3a为从图片中提取并修改后的平面特征曲线,图3b为根据平面特征曲线所构建的空间曲线,图3c为曲面生成并实体化后的三维CAD模型,最后根据产品设计的要求,在三维模型上添加底座、文字和图标等,如图3d所示.至此这个源于数码图片特征的新产品的三维CAD模型就完成了.2快速原型sla和硅中间模的制造2.1sla原型的建立SLA成型设备采用西安交通大学光固化快速成型机(型号:SPS450).首先将产品建模设计完成的三维CAD模型在Pro/E中以STL格式输出,然后采用西安交通大学开发的RPData软件对三维零件进行分层切片处理,分层厚度为0.1mm,经过分层处理所得到的数据可直接用于零件的快速成型.快速成型过程中的工艺参数一般要根据制作零件的特点、设备的状态和已做出零件的情况进行调整.SLA原型制作完成后,从成型机中取出零件,用乙醇溶液清洗,除去支撑.清洗完毕后,将零件放在紫外灯下照射约15min对其进行固化处理.固化后的SLA原型经打磨、抛光后用来制作硅橡胶中间模.由于要铸造金属模具,因此将上述设计好的龙造型分成2部分制作.将制作好的原型分别粘贴到分型板上用来翻制硅橡胶模.2.2可扩充模型的sla型和硅系采用快速成型原件做模型,可制作硅橡胶模具.这种模具具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率,脱模容易,同时模具修改也很方便,可作为中间过渡模制作精密铸造用的铸型.硅橡胶制模具体的工艺过程已在文献中做了详尽的描述,在此不再赘述.完成后的SLA原型和硅橡胶模如图4所示.3石膏型石膏型成型材料及成型工艺金属模具型腔零件的快速铸造,首先要从硅橡胶模翻制铸型.铸型可以采用多种方法制做,本文利用硅橡胶模翻制石膏铸型.石膏型铸型的制作工艺过程是将一定比例的半水石膏、填料、添加剂以及适量的水配制成浆体,然后将浆体灌入放有硅橡胶模的砂箱中,待浆体凝结后具有一定湿强度时即可脱模,再经烘干、焙烧成为石膏型,最终浇铸获得模具零件.单纯使用a型半水石膏并不能进行石膏型铸造,这是因为石膏在烘干及焙烧过程中不断脱水,发生相变,并伴随着体积的变化.由于收缩过大,裂纹倾向严重,强度急剧降低,因此在石膏粉料中必须加入适当的填料,以减小石膏型的线收缩和裂纹倾向,使其具有良好的室温和高温强度.因石膏的热传导率很小,铸件在凝固时易出现晶粒粗大、疏松等缺陷,可通过加入热传导率大的填料以改善石膏型的导热能力.根据以上石膏型对填料的性能要求以及填料本身对石膏混合料性能的影响,选用了320目石英粉和100目石英砂作为石膏混合料中的填料.另外,为弥补由于填料加入导致石膏型强度的降低,还需加入一些水玻璃作为黏结剂,以增强石膏型的湿态强度和高温强度.经多次试验,确定用于快速铸造的石膏型混合料配方的质量分数为:a型半水石膏65%,320目石英粉15%,100目石英砂20%.加水量占粉料质量分数的60%,水玻璃加入量为粉料质量分数的3%.灌浆后的石膏模型经过15～20min静置后起模,从石膏型型腔中取出硅胶模.起模后的石膏型需进行低温烘干以除去大量水分.石膏型经过烘干后即可进行焙烧,焙烧温度约250～300℃.焙烧的目的是去除石膏型中的自由水及结晶水,完成石膏型中一些组成物的相变过程,使石膏型体积稳定.在制定焙烧工艺时必须注意到石膏型导热能力低,焙烧时里外温差较大,本身又属脆性材料,在升温或降温过程中,热应力易引起石膏型出现裂纹.因此要采用阶梯升温提高焙烧温度,升温速度要慢.石膏型的焙烧工艺如表1所示.锌合金材料熔化温度低,锌合金模具制模工艺简单,适合于石膏型的浇铸,同时流动性好,模型上的精细纹路可直接复映,成形好,因此非常适合于作为快速铸造的模具材料.采用ZAS合金进行配制,其成分为:w(Al)=4%、w(Cu)=3.1%、w(Mg)=0.05%、其余为Zn.由于实验中需要铸造的是表面花纹细腻的艺术龙模具,而且石膏型本身又具有热传导率小、透气性差、强度及表面硬度均不够高的特点,因此,石膏型精密铸造浇冒口系统的设置就显得更为重要,除了要保证合金熔液平稳充型外,还必须有良好的排气能力.锌基合金的浇注温度为410℃.当合金液凝固冷却后,打开石膏型,取出铸件.经打磨修整后,该铸件可以用于注塑模具的型腔部分.将其作为模具镶块安装、固定到模架上,便制成了龙工艺品的注塑模.用该模具试制了聚氨酯浇注塑料件的制作,效果良好.图5所示为创新设计的龙工艺品的石膏型、铸造的锌基合金模具及试制的聚氨酯零件.4基于数码图片的d模型生产介绍了一种基于数码图片特征的创新产品设计及模具制造方法,采用Pro/Engineer软件使数码图片的二维特征生成具有关键设计信息的三维CAD模型,并用快速成型机制造出了设计产品的SLA原型,利用SLA原型翻制硅橡胶模具并结合石膏型特种铸造工艺实现了设计产品锌基合金模具的